Что такое моделирование в науке и зачем оно необходимо

Одним из теоретических методов исследования природы является моделирование. Слово «модель» иностранного происхождения и имеет много различных значений. Наиболее распространено представление о материальных моделях технических устройств, агрегатов, механизмов (например, модель самолета или модель автомобиля). Сейчас слово «модель» широко употребляют в качестве еще одного значения - образец (например, топ-модель). Понятие «моделирование» также получило более широкое толкование - искусство создания чего-либо (например, моделирование одежды, моделирование взаимоотношений между людьми). Что же такое моделирование в науке?

Под моделью в науке понимают как некоторую материальную конструкцию (материальная модель), так и теоретическое (словесное и математическое) описание какого-либо процесса или явления (теоретическая модель). Во всех случаях модель должна быть похожа на естественный объект, процесс или явление. Это означает, что модель должна обладать основными свойствами, характерными качественными особенностями того, что моделируется.

Приведем конкретный пример. В 70-е гг. ХХ в. возникла идея построения сооружений, защищающих Ленинград (Санкт-Петербург) от наводнений. Комплекс сооружений (дамба) должен был перекрывать путь воде, идущей из Финского залива во время наводнения, и в то же время не препятствовать прохождению судов в город. Возник вопрос об экологичности проекта. Построенное сооружение должно было повлиять на естественное течение воды в Финском заливе : в ней могли образоваться застойные зоны - искусственные болота, аккумулирующие грязь, идущую с водами Невы. Была построена материальная модель части акватории Финского залива. Занимая значительную площадь, эта модель была точной уменьшенной копией акватории и позволяла исследовать характер течений, который имел бы место при строительстве дамбы. При этом строительство модели было несоизмеримо дешевле строительства (и тем более перестройки) реального объекта.

Моделирование позволяет исследовать сложные процессы и явления с целью предсказания интересующих исследователя результатов. Это касается как материальных, так и теоретических моделей.

Фактически, решая любую школьную задачу, в которой говорится о реальном, а не идеализированном процессе, вы занимаетесь моделированием. Приведем пример такой задачи. Требуется найти минимальный тормозной путь автомобиля, движущегося со скоростью v = 72 км/ч, если коэффициент трения между дорогой и шинами колес μ = 0,3. Базовых знаний физики должно хватить для решения этой задачи; мы приведем лишь ответ: S = v2/(2μg) ≈ 70 м. Решая эту задачу, вы неизбежно делаете следующие приближения:

  • считаете, что до торможения автомобиль двигался по прямой, по ровной горизонтальной поверхности, что максимальная сила между колесом и дорогой - это сила трения скольжения;
  • предполагаете, что тормоза автомобиля на всех колесах работают одинаково, что сила давления автомобиля на каждое колесо одна и та же;
  • пренебрегаете силой воздействия воздуха на автомобиль при движении, инерцией вращения колес автомобиля (кинетической энергией вращательного движения колес).

Все эти приближения следует обосновывать и численно оценивать погрешности, вносимые каждым из них.

Читать далее